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第三节 物料衡算与热量衡算的方法
由于物料衡算与热量衡算是化工设计的基础，是生产中检查考核、定额分析的重要手段，也是本课程中化工计算的基础，因此，在进入后几章的学习之前，必须把物、热衡算的方法搞清楚。
一、 物料衡算的具体作法
对于连续稳定过程，物料衡算的方程是：
ΣMλ=ΣM出
或 进 = 出 为代数方程
对不稳定过程，物料衡算的方程为：
ΣMλ=ΣM出+M累积
或 进 = 出 + 累积 为代数方程
在本书的范围之内，绝大多数情况为连续稳定过程，故将重点讨论这种情况。
一般情况下，物料衡算的步骤如下：
首先，确定衡算对象，根据题目要求它可以是总物料、某个组分、某个元素等；
其次，确定衡算范围，根据题目要求它可以是一个系统、一个车间、某个设备；设备的某个局部等……；
最后，确定衡算基准，根据题目要求它可以是单位质量，单位时间等。
在上述三者确定后，根据物料衡算方程分别列出具体的物料衡算方程（一个或多个），再解方程或方程组即可。现举例如下：
例1-1 如图1-2A所示，浓度为20%（质量百分数，下同）的KNO3水溶液以1000kg/hr流量送入蒸发器，在某温度下蒸出一部分水而得到浓度为50%的KNO3水溶液，再送入结晶器冷却析出含有4%水分的KNO3晶体并不断取走。浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理，该过程为连续稳定过程，试求：
1. 结晶产品量P，水分蒸发量W；
2. 循环母液量R，浓缩量S。
图1-2A
解： 1. 衡算对象：总物料KNO3
衡算范围：如图所示的用一条封闭的虚线所包围的部分
衡算基准：单位时间--每小时
列方程：凡是穿过封闭虚线进入的衡算范围的物料为入；
凡是穿出封闭虚线排出的衡算范围的物料为出；
总物料 ΣMλ=ΣM出
则 F = W + P
（1）
同理，对KNO3
0.2F = 0×W + P（1-4%）
（2）
将（1）（2）代入数据后组成方程组
1000 = W + P
0.2×1000 = P（1-4%）
解这个方程组得：
P = 208.3 kg/hr
W = 791.7 kg/hr
2. 衡算对象的基准不变，改变衡算范围如图1-2B所示。
总物料 S =R + P
KNO3 0.5 × S = 0.375 × R + P（1-4%）
将上两式代入数据联解得：
R = 766.6 kg/hr
S = 947.9 kg/hr 即为所求
图1-2B
应该指出，确定衡算范围是很重要的，如确定的衡算范围不当，无法求解。一般来说，要尽量使已知条件和所求量穿越衡算范围，这样才能列入衡算方程中。这种技巧可在今后的学习和练习中逐步掌握。
二、 热量衡算的具体作法
与物料衡算相类似，热量衡算由于衡算对象已经确定，只须确定衡算范围和衡算基准即可。但热量衡算的基准有其特点，它包含数量基准、温度基准和相态基准。数量基准是指选那个量作基准来衡算热量。对于连续操作一般以单位时间进料量（即进料速率）为基准，而温度和相态基准的确定才能从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算，举例说明如下：
例1-2 在一热交换器中用压强为136kpa的饱和蒸汽加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度381K下排出。若取空气的平均比热为1.005kJ/kg·k，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。
图1-3
解：过程如图1-3所示：
数量基准 每秒钟蒸汽、空气的流量
温度基准 取进口空气温度298K，因而其焓为零，即H冷空气 =0
相态基准 压强为136kpa的饱和蒸汽，查得其焓H蒸汽.281K =2690KJ/kg，同时查得H 冷凝水281K
=452.9KJ/kg
衡算范围 封闭虚线所示范围
对此连续稳定过程 ΣQ入=ΣQ出
其中：
ΣQ入=ΣQ蒸汽 + ΣQ冷空气=0.001×H蒸汽
+1 × H冷空气
ΣQ出=ΣQ热空气 + ΣQ冷凝水=1×1.005（T-298） + 0.001
× H冷空气
T：热空气温度
将数据代入解得T=320.3K
第四节 化工生产工艺流程图、单位制
在化学工程问题中，常常碰到一些很复杂的生产过程。例如氨碱法制纯碱，从饱和食盐水氨化、碳酸化开始，经过过滤、煅烧、洗涤，滤液经蒸氨解吸、循环使用等一系列过程。当描述这样一个复杂过程时，必须用简便的方法来组织给定的技术资料，列出已知和未知的条件，最好的方法是将该过程描绘一成个流程图。化学工业中使用的流程图，一般有表示产品流向的工艺流程图和工厂建设中实际使用的施工流程图。后者根据施工的要求，尚可细分为配管图、仪表自控图、电工配线图、公用工程流程图等。
工艺流程（又称生产流程或工业流程）图，是指从原料开始到最终产品所经过的生产步骤，把各步骤所用的设备，按其几何形状以一定的比例画出，设备之间按其相对位置及其相互关系衔接起来，象这样一种表示整个生产过程全貌的图就称为生产工艺流程图，简称生产流程。生产工艺流程反映出工厂或车间的实际情况，即把设计的各个主要设备以及同时计算出的物料平衡、热量平衡一起写在流程图上。但在教科书中的生产流程则多为原则的是示意流程。生产工艺示意流程，它只是定性的描绘出由原料变化为成品所经过的化工过程及设备的主要线路，其设备只按大致的几何形状画出，甚至用方框图表示也可，设备之间的相对位置也不要求准确。用方框图进行各种衡算，既简单、显目，也很方便。如本章前几节就多次用过。
工艺流程图中所表示的主要设备包括反应器、塔器、热交换器、加热炉、过滤机、离心分离机、干燥器、压缩机、泵等单位操作使用的全部与罐类。这些设备的几何形状，在化学工业界已被公认为标准的主要设备符号，将在以后的课程中逐步介绍。
工艺流程图的实例，可参见课本p280图9-25。
关于单位制，本课程一律采用国际单位制，即SI制。在本书中出现其它单位制的时候，将给出其于SI制的换算关系。在例题或习题中如果碰到，则应将其换算成SI制。否则，因单位制不统一而造成计算的结果与准确值相差甚远。